Сварные соединения. Сварным называют неразъемное соединение, выполненное сваркой. Конструктивный тип сварного соединения определяется взаиморасположением свариваемых частей. В процессе образования сварного соединения происходят сложные физические и химические процессы. К физическим относят процессы, которые, изменяя физические свойства вещества, не изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, и не приводят к изменению его химических свойств. В процессе сварке происходит нагрев металла, его плавление и кристаллизация, распространение теплоты, деформация изделия. Во время химических процессов происходит изменение строения элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего получаются новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами. К основным химическим сварочно-металлургическим процессам относятся химические реакции взаимодействия свариваемого металла с газами, покрытиями и флюсами. При этом физические и химические процессы при сварке сопряжены между собой по времени и пространству, поэтому их можно объединить общим понятием-физико-химические процессы. Под действием этих процессов возникает характерное строение сварного соединения.
Сварное соединение при сварке плавлением включает в себя:
- сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны
- зону сплавления – зону, где находятся частично сплавившиеся зерна металла на границе основного металла и шва
- зону термического влияния – участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке плавлением или резке
- основной металл – металл подвергающихся сварке соединяемых частей, но не изменивший своих свойств при сварке.
Соединение, выполненное сваркой давлением в твердом состоянии, состоит из зоны соединения, где образовались межатомные связи соединяемых частей, зоны термомеханического влияния и основного металла. В процессе формирования структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепловым процессам, при сварке давлением – пластической деформации. В зависимости от взаимного расположения в пространстве соединяемых элементов различают следующие сварные соединения: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные и торцовое соединения, сварной шов и сварная ванна. Стыковым считают сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Его образуют элементы одинаковой либо разной толщины. Стыковые соединения являются самыми типичными. В них торцы или кромки соединяемых деталей располагают так, что поверхность одной детали является продолжением поверхности другой. ГОСТом установлены 32 вида стыковых сварных соединений, которые обозначаются С1, С2, С3, С4 и т.д. При соединении листов толщиной до 12 мм, применяют стыковые соединения без скоса свариваемых кромок. Процесс производства таков: кромки листов срезают под прямым углом к плоскости листа и при сварке располагают с зазором 1-2 мм. Листы толщиной до 4 мм сваривают односторонним швом, свыше и до 12 мм - двусторонним. При сварке металла толщиной от 3 до 60 мм применяют стыковые соединения с V – образной разделкой кромок. При этом разделка кромок может быть одно-и двусторонней. При толщине металла в пределах 15-100 мм применяют V – образную разделку с криволинейным скосом одной или обеих кромок. Стыковые соединения с Х - и К-образными разделками кромок применяют при сварке металла толщиной 8-175 мм. При этом расход электродного металла, а отсюда и электроэнергии почти вдвое меньше, чем при V-образной разделке кромок. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую деформацию после сварки. При V- и Х-образных разделках кромки притупляют, чтобы предотвратить прожог металла при сварке. Стыковые соединения чаще всего применяются для изготовления резервуаров, трубопроводов, различных машиностроительных конструкций (автомобилей, тракторов).
Нахлесточное соединение представляет собой сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга, т.е. один лист металла накладывается на другой. Величина перекрытия берется в пределах 3-240 мм и зависит от толщины свариваемого металла. Нахлесточные соединения обозначают Н1 и Н2. Эти соединения могут быть как с односторонними, так и с двусторонними швами. Они встречаются при изготовлении резервуаров, мачт, ферм и других конструкций. Их выполняют наложением одного элемента соединения на другой. При этом величина перекрытия должна быть не менее удвоенной суммы толщины свариваемых кромок изделия. При этом свариваемые поверхности не обрабатывают (не считая зачистку кромок). Листы заваривают с обеих сторон, чтобы не допустить проникновения влаги в зазор между свариваемыми листами. Тавровые соединения - это соединения, в которых торец одного элемента примыкает к поверхности другого элемента свариваемой конструкции под некоторым углом и приварен к боковой поверхности другого элемента. Сечение этого соединения имеет вид буквы Т. Отсюда и название «тавровое». Эти соединения применяют для металлов толщиной 2-120 мм. В зависимости от назначения соединения и толщины металла сварка может быть осуществлена без скоса, с одно- и двусторонним скосом кромок элементов соединения. Для получения прочного шва зазор между свариваемыми элементами составляет 2-3 мм. Условные обозначения тавровых соединений: Т1-Т8. Тавровые соединения часто встречаются в строительных конструкциях. Угловые соединения осуществляются при расположении свариваемых элементов под прямым или произвольным углом, сварка выполняется по кромкам этих элементов с одной или с обеих сторон. Условные обозначения углового соединения: У1-У10. Применяют угловые соединения при сварке различных коробчатых изделий, резервуаров и емкостей из металла толщиной 1-100 мм. Они применяются также в машиностроительных и строительных конструкциях (мачтах, фермах, балка и т.п.) Торцевым соединением называется соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу. Условных обозначений торцевых соединений в стандарте пока нет.
Каждый тип сварного соединения имеет определенные преимущества и недостатки. Стыковые соединения широко распространены в сварных изделиях, так как они надежны, экономичны, удобны для контроля. Недостатки стыковых соединений – необходимость более точной сборки деталей под сварку, сложность обработки кромок под сварку профильного металла (уголки, швеллеры, тавры). Угловые и тавровые соединения также используются в конструкциях. Преимущества и недостатки этих соединений такие же, как и у стыковых. Преимуществами нахлесточного соединения являются простота сборки соединения (возможность подгонки размеров за счет величины нахлестки), отсутствие скоса кромок под сварку. Недостатки нахлесточного соединения перед другими типами: повышенный расход основного металла на перекрытие в соединении, более низкая работоспособность при переменных или динамических нагрузках, чем у стыковых соединений, сложность проведения контроля качества сварки. Существующие способы дуговой сварки позволяют сваривать без разделки кромок металл ограниченной толщины (при ручной односторонней сварке – до 4 мм, механизированной под флюсом - до 18 мм). Поэтому при сварке металла большой толщины необходимо разделывать кромки. Угол скоса кромки обеспечивает определенную величину угла разделки кромок, что необходимо для доступа дуги вглубь соединения и полного проплавления кромок на всю их толщину.
Сварные швы. Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны (при сварке плавлением), пластической деформации (при сварке давлением) либо после проведения обоих процессов. Сварочной ванной называется часть металла сварного шва, находящаяся в момент сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующееся в сварочной ванне под действием дуги, называется кратером.
Сварные швы подразделяют по следующим основным признакам:
- по положению относительно действующего усилия – на фланговые, лобовые и косые
- по положению в пространстве – на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные
- по внешней форме – на выпуклые, нормальные и вогнутые
- по протяженности – на непрерывные, или сплошные, и прерывистые
- по виду сварного соединения – стыковые и угловые.
Стыковые швы – это швы стыковых соединений. Угловые швы, называемые также валиковыми, - это швы угловых, тавровых, нахлесточных соединений. Для изготовления сварных конструкций применяется большое количество сварочных материалов, которые обеспечивают процесс сварки, формирование, защиту и заданный химический состав шва. Для регламентации основных типов и конструктивных элементов швов сварных соединений используются следующие государственные стандарты: ГОСТ 5264-80 – для ручной дуговой сварки; ГОСТ 8713-79 – для автоматической и механизированной сварки под флюсом; ГОСТ 14771-76- для дуговой сварки в защитных газах; ГОСТ 15164-78 – для электрошлаковой сварки; ГОСТ 15878-79 – для контактной сварки.
Выпуклые швы имеют больше сечение и поэтому называются усиленными. Однако большая выпуклость для швов, работающих при знакопеременных нагрузках, вредна, так как вызывает концентрацию напряжений в местах неплавного перехода от шва к поверхности основной детали. Вогнутые (ослабленные) швы применяют, как правило, в угловых соединениях. В стыковых соединениях они не допускаются. Нормальные швы по сечению соответствуют расчетным и приняты как основной вид сварного шва. Прерывистые швы применяют в том случае, если шов не ответственный (сварка ограждений, настила и др.) или если по прочностному расчету не требуется сплошной шов. Их применяют в целях экономии материалов, электроэнергии и труда сварщика. Длину провариваемых участков прерывистого шва принимают в пределах 50-150 мм, а промежутки делают примерно вдвое больше. Расстояние от начала предыдущего шва до начала последующего шва называют шагом шва. Основным металлом называют металл соединяемых частей, подвергаемых сварке. Присадочным металлом называют металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному. Наплавленным металлом называют переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл. Металлом шва называют сплав, образованный переплавленным основным и наплавленным металлами. В зависимости от параметров и формы подготовки свариваемых кромок деталей доли участия основного и наплавленного металлов в формировании шва могут существенно изменяться.
Сварочные материалы классифицируют так:
Непосредственно участвующие в образовании сварного шва. К ним относятся: штучные плавящиеся электроды для ручной дуговой сварки, электродные проволоки для сварки в защитных газах, под флюсом и для электрошлаковой сварки, присадочные материалы при различных способах сварки плавлением; в меньшей степени участвуют в формировании состава швов флюсы и активные газы; непосредственно не участвующие в образовании сварного шва. К ним относятся неплавящиеся электроды (вольфрамовые, угольные, графитовые, инертные газы.) Сварочные материалы классифицируются также на металлические и неметаллические. К металлическим сварочным материалам относятся: сварочные и наплавочные проволоки, ленты сплошного сечения и порошковые; покрытые плавящиеся и вольфрамовые неплавящиеся электроды; дополнительный присадочный металл в виде присадочной проволоки, гранулированных металлических порошков. К неметаллическим сварочным материалам относятся: флюсы (плавленые и керамические), защитные газы (инертные и активные). К этой группе можно отнести вакуум как защитную среду при сварке активных металлов.
Свариваемость металлов
Свариваемостью металлов называется свойство металлов или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Различают физическую и технологическую свариваемость. Физической свариваемостью называется свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью. Способность металлов свариваться является важной характеристикой, определяющей принципиальную возможность образования сварного соединения. Подобной свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами. При этом физическая свариваемость металлов не полностью определяет возможность получения качественного и экономичного соединения, обладающих работоспособность изделия в определенных условиях эксплуатации. Поэтому достижение этих свойств во многом будет зависеть от применяемой технологии сварки. Технологической свариваемостью называется технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами. Свариваемость металлов не является неизменным свойством материала, подобного его физическим характеристикам. Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов. Поэтому понятие свариваемости является комплексным и характеризуется совокупностью свойств и зависимости от природы металла и условий его эксплуатации.
Основными показателями свариваемости металлов и их сплавов являются:
- окисляемость при сварочном нагреве, зависящая от химической активности металла
- чувствительность к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств
- сопротивляемость образованию горячих трещин
- сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке
- чувствительность к образованию пор
- соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.
Кроме перечисленных основных показателей свариваемости имеются еще показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий. Во время оценки технологической свариваемости целесообразно использовать, с одной стороны, дифференцированный подход, рассматривая поведение металла в сварочной ванне и изменение его свойств в результате взаимодействия с окружающей средой (газами, шлаками), а также кристаллизации в условиях сварочного процесса (металлургическая свариваемость). С другой стороны, оценивая реакцию металла на тепловые воздействия в тех или иных условиях сварки (тепловая свариваемость). При этом необходима оценка с металлургических позиций для выбора способа и средств защиты и металлургической обработки ванны. Оценка тепловой свариваемости важна для выбора оптимального термического цикла сварки, иначе говоря, источника нагрева и режима. Именно такой дифференцированный подход к оценке свариваемости позволяет упростить выбор наиболее целесообразного технологического варианта выполнения сварного соединения.
Свариваемость стали принято оценивать по следующим показателям:
- склонность металла шва к образованию горячих и холодных трещин
- склонность к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур
- физико-механические качества сварочного соединения
- соответствие специальных свойств сварного соединения техническим условиям.
Окисляемость металла при сварке определяется химическими свойствами свариваемого материала. Чем химически активнее металл, тем больше его склонность к окислению и тем выше должно быть качество защиты при сварке. Углерод является наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные ее свойства в процессе обработки, в том числе и свариваемость. Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных примесей. Низко- и углеродистые и среднеуглеродистые стали свариваются хорошо. Стали, содержащие С > 0,35%, свариваются хуже. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. В околошовных зонах появляются закалочные структуры и трещины, а шов получается пористым. Марганца в стали содержится обычно 0,3—0,8%, что не затрудняет сварку стали. Однако при повышенном содержании марганца (1,8—2,5%) прочность, твердость и закаливаемость стали возрастают, и это способствует образованию трещин. При сварке высокомарганцовистых сталей (11—16% Мn) происходит выгорание марганца, если не принять меры по его восполнению через электродное покрытие или флюсы. Кремний содержится в обычной углеродистой стали в пределах 0,02—0,3% и существенного влияния на свариваемость не оказывает. При повышенном содержании (0,8—1,5%) кремний затрудняет сварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие окислы и шлаки. Сера является самой вредной примесью стали. Содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Сера образует в металле сернистое железо, которое имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворяется в расплавленной стали. При кристаллизации стали сернистое железо располагается между кристаллами металла шва и способствует образованию трещин.
Фосфор является также вредной примесью стали. Содержание фосфора в стали доходит до 0,05 %. Фосфор ухудшает свариваемость стали, так как образует хрупкое фосфористое железо, придает стали хладноломкость. Для того чтобы определить свариваемость, изготовляют образцы, на которые производится наплавка по одному валику. Затем обработанные и протравленные образцы подвергают макро- и микроисследованиям, а затем механическим испытаниям на загиб и ударную вязкость. Полученные результаты исследования позволяют не только оценить свариваемость стали, но и установить оптимальные режимы сварки. Стали считаются хорошо сваривающимися, если трещины отсутствуют. Ограниченно сваривающимся - если сталь для предупреждения образования трещин требует предварительного подогрева до 100— 150°С и охлаждения на воздухе. Плохо сваривающиеся стали требуют предварительного подогрева до 300°С и выше. Удовлетворительно сваривающимися - если трещины образуются при охлаждении водой, но отсутствуют при охлаждении воздухом.
Углеродистые стали по свариваемости можно условно подразделить на следующие группы:
- хорошо сваривающиеся стали — Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 (ГОСТ 380—88); 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050—88)
- удовлетворительно сваривающиеся стали — Ст5 (ГОСТ 380-88); 30, 35 (ГОСТ 1050— 88)
- ограниченно сваривающиеся стали — Стб, Ст7 (ГОСТ 380—88); 40, 45, 50 (ГОСТ 1050—88);
- плохо сваривающиеся стали — 60Г, 65Г, 70Г, 70, 75, 80, 85.
В сварных строительных конструкциях используются главным образом стали первой группы. Стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5 применяют при изготовлении строительных конструкций, арматуры, горячекатаных и сварных труб с прямым и спиральным швами. Из стали Ст3 изготовляют бункера, резервуары, газгольдеры, подкрановые балки, конструкции доменного комплекса, балки перекрытий. Стали 10, 15 и 25 используют для производства горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и образуют сварной шов без хрупких структур и пористости. При этом чем выше прочность свариваемого материала и больше степень его легирования, тем чувствительнее материал к термическому циклу сварки и сложнее технология его сварки. Оценку чувствительности металла к тепловому воздействию сварки производят по свойствам различных зон соединений и сварных соединений в целом при статических, динамических и вибрационных испытаниях (растяжение, изгиб, определение твердости, определение перехода металла в хрупкое состояние и др.), а также по результатам металлографических исследований в зависимости от применяемых видов и режимов сварки.
